DE4340664A1 - Piezoresistiver Beschleunigungsaufnehmer - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Für die Wandlung der physikalischen Größe Beschleunigung in ein elektrisches Signal, vor­ zugsweise in eine elektrische Spannung, werden in der Meßtechnik Beschleunigungsaufneh­ mer eingesetzt. Hierzu können verschiedene Wandlungsprinzipien herangezogen werden; im vorliegenden Fall ist dies der piezoresistive Effekt. Unter dem piezoresistiven Effekt versteht man die Änderung des spezifischen Widerstandes eines Werkstoffes unter dem Einfluß einer Dehnung oder Stauchung dieses Werkstoffes bzw. unter dem Einfluß der mit dieser Dehnung oder Stauchung einhergehenden mechanischen Spannung. Die Einsatzgebiete derartiger Sen­ soren sind breit gefächert und reichen von allgemeinen Beschleunigungsmessungen, z. B. in der Antriebstechnik, Luft- und Raumfahrttechnik, Medizintechnik oder Robotik über Gravita­ tionsmessungen, z. B. für die Navigation oder Neigungsmessung, bis zu Vibrationsmessungen, z. B. in der Seismographie, bei der Transportüberwachung empfindlicher oder gefährlicher Gü­ ter oder bei Haushaltsgeräten. Ein hoher Bedarf an Beschleunigungsaufnehmern entsteht vor allem durch den zunehmenden Einsatz von Personensicherheitssystemen im Kraftfahrzeug, z. B. Airbag oder Gurtstraffersysteme.

Stand der Technik

Piezoresistive Beschleunigungsaufnehmer basieren auf einem Feder/Masse-System, wobei eine Schweremasse an einem oder mehreren Federelementen, den sogenannten Biegebalken befestigt ist. Bei einer Beschleunigung des Beschleunigungsaufnehmers sowie unter dem Ein­ fluß der Gravitation werden aufgrund der Massenträgheit der Schweremasse die Biegebalken verformt. Diese Verformung kann mittels des piezoresistiven Effektes detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Der piezoresistive Effekt kann abhängig vom piezo­ resistiven Charakter des verwendeten Widerstandswerkstoffes, vom Vorzeichen der mechani­ schen Spannung und vom Winkel zwischen der Richtung der mechanischen Spannung und der Richtung des Stromdichtevektors innerhalb des Widerstandes sowohl eine Reduktion als auch eine Erhöhung des Widerstandswertes zur Folge haben. Als Widerstandsmaterial werden be­ vorzugt Werkstoffe mit einer großen Piezoresistivität eingesetzt, wie z. B. einkristallines Sili­ zium. Einen Überblick über derartige Sensoren findet sich in Herbert Reichl: "Halbleitersenso­ ren", Band 251 aus der Reihe "Kontakt & Studium", expert-Verlag, Ehningen bei Böblingen, 1989, S. 223-234.

Häufig ist es erforderlich, daß ein Beschleunigungsaufnehmer nur für Beschleunigungen in eine ganz bestimmte Richtung empfindlich ist. Die Empfindlichkeit für Beschleunigungen senkrecht zu dieser Richtung, die sogenannte Querempfindlichkeit, soll möglichst gering sein. Derartige Sensoren bezeichnet man als ein- oder uniaxiale Beschleunigungsaufnehmer.

In H. Seidel u. a.: "Piezoresistive silicon accelerometer for automotive applications", Kongreß­ band 11 der SENSOR 93, 11.-14. Oktober 1993 in Nürnberg, S. 271-278, wird ein Beschleu­ nigungsaufnehmer mit einem Feder/Masse-System bestehend aus einer Schweremasse und ei­ nem Biegebalken vorgestellt. Durch das Hinzufügen von zwei zusätzlichen Biegebalken wird versucht, die Querempfindlichkeit des Beschleunigungsaufnehmers zu reduzieren. Diese zu­ sätzlichen Biegebalken beinhalten keine piezoresistiven Widerstände, sondern sollen eine tor­ sionsartige Verformung desjenigen Biegebalken verhindern, der die piezoresistiven Wider­ stände beinhaltet.

In Shaoqun Shen u. a.: "Analysis on twin mass structure for a piezoresistive accelerometer", Sensors and Actuators A, 34 (1992), S. 101 - 107, besteht das Feder/Masse-System aus zwei Schweremassen und fünf Biegebalken. Damit soll, bei geeigneter Plazierung und Verschaltung der piezoresistiven Widerstände, eine geringe Querempfindlichkeit erzielt werden.

In dem US-Patent Nr. 4,987,781 vom 29.01.1991 besteht das Feder/Masse-System aus einer Schweremasse und vier Biegebalken. Darauf sind acht piezoresistive Widerstände derart ver­ schaltet, daß der Beschleunigungsaufnehmer nur für Beschleunigungen in einer Richtung emp­ findlich ist.

Für viele Anwendungen ist es erforderlich, eine beliebig gerichtete Beschleunigung nach Be­ trag und Richtung bestimmen zu können. Üblicherweise werden hierzu zwei oder drei ein­ axiale Beschleunigungsaufnehmer zu einem zwei- oder dreiaxialen Beschleunigungsaufneh­ mermodul montiert. Demgegenüber ist in der Offenlegungsschrift DE 36 11 360 A1 ein zwei­ axialer Beschleunigungsaufnehmer und in der Offenlegungsschrift DE 37 41 036 A1 ein drei­ axialer Beschleunigungsaufnehmer beschrieben. Beide können monolithisch auf einem Werk­ stoffplättchen hergestellt werden. In beiden Fällen ist für jede auflösbare Beschleunigungsrich­ tung eine individuelle Schweremasse mit den zugehörigen Biegebalken und piezoresistiven Widerständen erforderlich. Weiterhin erfolgt in beiden Fällen die Detektion einer Beschleuni­ gung aufgrund der Torsionsverformung der Biegebalken. Insbesondere sind die piezoresistiven Widerstände derart auf den Biegebalken angeordnet und verschaltet, daß sie eine Torsionsver­ formung der Biegebalken detektieren.

Nachteile des Standes der Technik

Den bekannten einaxialen Beschleunigungsaufnehmern ist gemeinsam, daß sie die gewünsch­ ten Eigenschaften nur durch Kompensation mittels zusätzlicher mechanischer und/oder elektri­ scher Elemente erzielen können. Das Hinzufügen mechanischer Elemente, d. h. zusätzlicher Schweremassen und/oder Biegebalken, ist jedoch gleichbedeutend mit einem erhöhten Ferti­ gungsaufwand und einem erhöhtem Flächenbedarf des Beschleunigungsaufnehmers. Dieser Nachteil fällt besonders bei der Realisierung als mikromechanischer Siliziumsensor ins Ge­ wicht. Genauso nachteilig ist das erforderliche Hinzufügen von elektrischen Elementen, d. h. zusätzlicher piezoresistiver Widerstände zum Zwecke der Kompensation bestimmter Be­ schleunigungsrichtungen. Jeder zusätzliche piezoresistive Widerstand erhöht die Anzahl der Ursachen für den Betrag des durch Fertigungstoleranzen bedingten Nullpunktsignals eines Be­ schleunigungsaufnehmers und vor allem für den Betrag der thermischen und zeitlichen Driften dieses Nullpunktsignals.

Diese Nachteile gelten in gleicher Weise für die bisher bekannten zwei- und dreiaxialen Be­ schleunigungsaufnehmer. Bei den zwei- und dreiaxialen Beschleunigungsaufnehmermodulen, bestehend aus zwei bzw. drei einaxialen Beschleunigungsaufnehmern, ist die erhebliche Volu­ men- und Massenzunahme von Nachteil. Weiterhin ist die hybride Montage dieser Module, an die hohe Anforderungen hinsichtlich der Winkelausrichtung der einaxialen Beschleunigungs­ aufnehmer zueinander gestellt werden muß, aufwendig und damit kostenintensiv.

Die bisher vorgestellten monolithischen zwei- und dreiaxialen Beschleunigungsaufnehmer be­ sitzen ebenfalls den Nachteil eines großen Flächen- oder Volumenbedarfs, da für jede aufzulö­ sende Beschleunigungsrichtung eine individuelle Schweremasse erforderlich ist. Gerade bei der Realisierung als mikromechanischer Siliziumsensor stellt die Herstellung der Schwere­ masse einen kritischen und ausbeutebegrenzenden Prozeßschritt dar. Ferner ist von Nachteil, daß für jede Beschleunigungsrichtung eine individuelle Widerstandsmeßbrücke erforderlich ist. Die damit verbundene große Anzahl piezoresistiver Widerstände läßt die obengenannten Nullpunkt- und Driftprobleme in Erscheinung treten.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe der Entwicklung eines piezoresistiven Beschleunigungsauf­ nehmers basierend auf einem Feder/Masse-System mit nur einer Schweremasse und einer mi­ nimalen Anzahl von Biegebalken, die eine minimale Anzahl von piezoresistiven Widerständen beinhalten, zugrunde. Der Beschleunigungsaufnehmer soll dabei zunächst nur für Beschleuni­ gungen in einer Richtung empfindlich sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung soll der Be­ schleunigungsaufnehmer auch beliebige Beschleunigungen nach Betrag und Richtung bestim­ men können. Dies soll vorzugsweise mit der minimal möglichen Anzahl von Schweremassen, Biegebalken und piezoresistiven Widerständen möglich sein.

Lösung der Aufgabe

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch einen piezoresistiven Be­ schleunigungsaufnehmer mit einer Schweremasse, die an mindestens zwei Biegebalken aufge­ hängt ist, wobei sich der Schwerpunkt der Schweremasse außerhalb einer durch die Biegebal­ ken gebildeten Ebene befindet, und die Längsachsen von jeweils zwei der Biegebalken zu einer Hauptachse zusammenfallen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein piezoresisti­ ver Widerstand auf den Biegebalken derart angeordnet ist, daß eine der Symmetrieachsen des Widerstandes mit der Längsachse des Biegebalkens zusammenfällt. Dabei ist von grundlegen­ der Bedeutung, daß die senkrechte Projektion von jeweils einer der Symmetrieachsen der pie­ zoresistiven Widerstände auf die Oberfläche des Beschleunigungsaufnehmers exakt mit der senkrechten Projektion der Längsachse des jeweiligen Biegebalkens auf die Oberfläche des Beschleunigungsaufnehmers zusammenfällt. Es ist vorteilhaft, daß diese Bedingung durch die Anwendung photolithographischer Strukturübertragungsmethoden oder moderner Siebdruck­ techniken verhältnismäßig einfach erfüllt werden kann. Die Form der piezoresistiven Wider­ stände ist beliebig, solange mindestens eine Symmetrieachse existiert, mit Hilfe welcher der Widerstand ausgerichtet werden kann. Die beschriebene Anordnung der piezoresistiven Wi­ derstände hat den Vorteil, daß Beschleunigungen in Richtung der Längsachse der Biegebalken und Beschleunigungen in Richtung senkrecht zu der durch die Biegebalken gebildeten Ebene detektiert werden können. Gleichzeitig ist durch die spezielle Anordnung der piezoresistiven Widerstände gewährleistet, daß eine Beschleunigung in der durch die Biegebalken gebildeten Ebene und dabei gleichzeitig senkrecht zur Längsachse der Biegebalken keine Widerstandsän­ derung hervorruft. In diesem Fall ist die durch die Beschleunigung hervorgerufene torsionsar­ tige Verformung der Biegebalken derart, daß das Integral der mechanischen Spannungen über das gesamte Widerstandsgebiet gleich Null ist. Daher sind auch keine mechanischen oder schaltungstechnischen Kompensationsmaßnahmen notwendig, sondern die Kompensation er­ folgt inhärent in den piezoresistiven Widerständen. Dadurch kann die Anzahl der erforderli­ chen Biegebalken und piezoresistiven Widerstände minimiert werden. Die torsionsartige Ver­ formung der Biegebalken ist im Gegenteil sogar von Vorteil für die weitere Ausgestaltung zu einem zwei- oder dreiaxialen Beschleunigungsaufnehmer und sollte daher durch konstruktive Maßnahmen begünstigt und nicht behindert werden. Die Biegebalken sollten daher erfindungs­ gemäß derart dimensioniert und angeordnet sein, daß die Federkonstante der Anordnung ge­ genüber dieser Torsionsverformung angepaßt ist an den Beschleunigungsmeßbereich. Dies läßt sich durch entsprechende Wahl der Länge, Breite und Dicke der Biegebalken und dem Abstand des Schwerpunktes der Schweremasse von der durch die Biegebalken gebildeten Ebene ein­ stellen. Zur Erzielung hoher Empfindlichkeiten ist insbesondere eine geringe Breite und Dicke der Biegebalken erforderlich. Die Biegebalken können auch mehr als eine Ebene bilden. Die unterschiedlichen Federkonstanten der Biegebalken gegenüber den Bewegungen der Schwe­ remasse werden dann durch die Anpassung der Biegebalkenlängen, -breiten und -dicken kom­ pensiert. Weiterhin kann die Form der Schweremasse beliebig sein, solange die senkrechte Projektion des Schwerpunktes der Schweremasse auf die Oberfläche des Beschleunigungsauf­ nehmers auf einer der durch die Biegebalken gebildeten Hauptachsen liegt.

In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung einen Beschleunigungsaufnehmer mit mindestens zwei piezoresistiven Widerständen, die auf mindestens zwei Biegebalken angeord­ net sind, wobei der Abstand des ersten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Einspan­ nung des ersten Biegebalkens gleich groß ist wie der Abstand des zweiten piezoresistiven Wi­ derstandes von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalkens oder gleich groß wie der Abstand des zweiten piezoresistiven Widerstandes von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalkens und eine Serienschaltung der mindestens zwei piezoresistiven Widerstände, wo­ bei am Verknüpfungspunkt der piezoresistiven Widerstände ein Potential abgegriffen werden kann, welches nur abhängig ist von Beschleunigungen in einer Richtung. Diese Anordnung der piezoresistiven Widerstände hat den Vorteil, daß Beschleunigungen in Richtung der Längs­ achse der Biegebalken und Beschleunigungen in Richtung senkrecht zu der durch die Biege­ balken gebildeten Ebene nicht nur durch eine Widerstandsänderung, sondern direkt durch ein elektrisches Potential detektiert werden können. Damit entfallen Kompensationsmaßnahmen für den Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes. Weiterhin ist von Vorteil, daß dieser einaxiale Beschleunigungsaufnehmer mit nur zwei Biegebalken und nur zwei piezoresistiven Widerständen realisiert werden kann. Weiterhin ist von Vorteil, daß nicht ein ganz bestimmter Abstand der piezoresistiven Widerstände von den inneren und äußeren Einspannstellen der Biegebalken erforderlich ist, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen, sondern lediglich die Proportionen des Widerstandslayouts mit den Proportionen der mechanischen Struktur übereinstimmen müssen. Dies stellt insbesondere auch bei der Realisierung als mikromechani­ scher Beschleunigungsaufnehmer einen großen fertigungstechnischen Vorteil dar.

In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung einen Beschleunigungsaufnehmer mit mindestens vier piezoresistiven Widerständen, die auf mindestens zwei Biegebalken derart an­ geordnet sind, daß der Abstand des ersten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Ein­ spannung des ersten Biegebalkens und der Abstand des dritten piezoresistiven Widerstandes von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalken gleich groß sind und der Abstand des zweiten piezoresistiven Widerstandes von der inneren Einspannung des ersten Biegebalkens und der Abstand des vierten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalken gleich groß sind und der Beschleunigungsaufnehmer eine Auswerte­ schaltung aufweist, bestehend aus einer Widerstandsmeßbrücke gebildet durch die paarweise Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände eins und zwei sowie drei und vier oder vier und drei, wobei die an den Verknüpfungspunkten der beiden Widerstandsserienschaltungen auftretende Differenzspannung eine Empfindlichkeit nur für Beschleunigungen in eine Rich­ tung aufweist. Diese Anordnung der piezoresistiven Widerstände hat den Vorteil, daß Be­ schleunigungen in Richtung der Längsachse der Biegebalken und Beschleunigungen in Rich­ tung senkrecht zu der durch die Biegebalken gebildeten Ebene nicht nur durch ein Potential, sondern durch eine Spannung detektiert wird. Diese Spannung ist direkt proportional zur Be­ schleunigung und ist insbesondere gleich Null im Fall verschwindender Beschleunigung. Wei­ terhin ist von Vorteil, daß nicht ein ganz bestimmter Abstand der piezoresistiven Widerstände von den inneren und äußeren Einspannstellen der Biegebalken erforderlich ist, um die ge­ wünschten Eigenschaften zu erzielen, sondern lediglich die Proportionen des Widerstandsla­ youts mit den Proportionen der mechanischen Struktur übereinstimmen müssen. Dies stellt insbesondere auch bei der Realisierung als mikromechanischer Beschleunigungsaufnehmer ei­ nen großen fertigungstechnischen Vorteil dar.

In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung einen Beschleunigungsaufnehmer mit mindestens zwei piezoresistiven Widerständen, die auf mindestens einem von mindestens zwei Biegebalken angeordnet sind, und eine Auswerteschaltung, welche aus den Widerstandsände­ rungen der piezoresistiven Widerstände zwei aufeinander senkrecht stehende Komponenten ei­ ner beliebig gerichteten Beschleunigung ermittelt. Diese Anordnung der piezoresistiven Wi­ derstände hat den Vorteil, daß mit der minimalen Anzahl von zwei piezoresistiven Widerständen auf lediglich einem von mindestens zwei Biegebalken zwei Komponenten einer beliebig gerichteten Beschleunigung detektiert werden können.

In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung einen Beschleunigungsaufnehmer mit mindestens sechs piezoresistiven Widerständen, die auf mindestens zwei Biegebalken ange­ ordnet sind, wobei der Abstand des ersten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Ein­ spannung des ersten Biegebalkens und der Abstand des dritten piezoresistiven Widerstandes von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalken und der Abstand des fünften piezoresis­ tiven Widerstandes von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalkens gleich groß sind und der Abstand des zweiten piezoresistiven Widerstandes von der inneren Einspannung des ersten Biegebalkens und der Abstand des vierten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalken und der Abstand des sechsten piezoresistiven Wider­ standes von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalkens gleich groß sind und weiter­ hin eine Auswerteschaltung bestehend aus paarweisen Serienschaltungen der piezoresistiven Widerstände eins und zwei, drei und vier sowie fünf und sechs, wobei die an den drei Verknüp­ fungspunkten der drei Widerstandsserienschaltungen zu bildenden unabhängigen Differenz­ spannungen jeweils die Komponente einer beliebig gerichteten Beschleunigung in zwei senk­ recht zueinanderstehenden Richtungen repräsentieren. Diese Anordnung der piezoresistiven Widerstände hat den Vorteil, daß zwei Komponenten einer beliebig gerichteten Beschleuni­ gung nicht nur durch eine Widerstandsänderung oder ein Potential, sondern durch jeweils eine Spannung detektiert werden. Diese Spannungen sind direkt proportional zu den Beschleuni­ gungen und sind insbesondere gleich Null im Fall verschwindender Beschleunigung. Weiter­ hin ist von Vorteil, daß nicht ein ganz bestimmter Abstand der piezoresistiven Widerstände von den inneren und äußeren Einspannstellen der Biegebalken erforderlich ist, um die gewünsch­ ten Eigenschaften zu erzielen, sondern lediglich die Proportionen des Widerstandslayouts mit den Proportionen der mechanischen Struktur übereinstimmen müssen. Dies stellt insbesondere auch bei der Realisierung als mikromechanischer Beschleunigungsaufnehmer einen großen fertigungstechnischen Vorteil dar.

In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung einen Beschleunigungsaufnehmer mit mindestens drei piezoresistiven Widerständen, die auf mindestens zwei von insgesamt minde­ stens vier Biegebalken angeordnet sind, und eine Auswerteschaltung, welche aus den Wider­ standsänderungen der piezoresistiven Widerstände drei aufeinander senkrecht stehende Kom­ ponenten einer beliebig gerichteten Beschleunigung ermittelt, wobei für den Fall, daß zwei der drei piezoresistiven Widerstände auf nur einem Biegebalken angeordnet sind, gelten muß, daß der Abstand des zweiten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Einspannung des Bie­ gebalkens ungleich dem Abstand des ersten piezoresistiven Widerstandes von der inneren oder äußeren Einspannung des Biegebalkens ist. Diese Anordnung der piezoresistiven Widerstände hat den Vorteil, daß mit der minimalen Anzahl von drei piezoresistiven Widerständen drei Komponenten einer beliebig gerichteten Beschleunigung detektiert werden können.

In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung einen Beschleunigungsaufnehmer mit mindestens acht piezoresistiven Widerständen, die auf mindestens vier Biegebalken angeord­ net sind, wobei der Abstand des ersten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Einspan­ nung des ersten Biegebalkens und der Abstand des dritten piezoresistiven Widerstandes von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalkens gleich groß sind sowie der Abstand des zweiten piezoresistiven Widerstandes von der inneren Einspannung des ersten Biegebalkens und der Abstand des vierten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalkens gleich groß sind sowie der Abstand des fünften piezoresistiven Wider­ standes von der äußeren Einspannung des dritten Biegebalkens und der Abstand des siebten piezoresistiven Widerstandes von der inneren Einspannung des vierten Biegebalkens gleich groß sind sowie der Abstand des sechsten piezoresistiven Widerstandes von der inneren Ein­ spannung des dritten Biegebalkens und der Abstand des achten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Einspannung des vierten Biegebalkens gleich groß sind und weiterhin eine Auswerteschaltung bestehend aus einer ersten Serienschaltung der Widerstände eins und zwei und einer zweiten Serienschaltung der Widerstände vier und drei und einer dritten Serienschal­ tung der Widerstände sechs und fünf und einer vierten Serienschaltung der Widerstände sieben und acht, wobei sich die Beschleunigungskomponente in z-Richtung aus der Differenz der Summe der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der ersten und zweiten Serienschaltung und der Summe der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der dritten und vierten Serien­ schaltung ergibt, und sich die Beschleunigungskomponente in x-Richtung aus der Differenz der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der ersten und zweiten Serienschaltung ergibt, und sich die Beschleunigungskomponente in y-Richtung aus der Differenz der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der dritten und vierten Serienschaltung ergibt. Diese Anordnung und Verschaltung der piezoresistiven Widerstände hat den Vorteil, daß mit diesen acht piezoresisti­ ven Widerständen die drei Komponenten einer beliebig gerichteten Beschleunigung nicht nur durch Widerstandsänderungen, sondern durch die Verknüpfung der Potentiale ermittelt werden können. Weiterhin ist von Vorteil, daß ein Empfindlichkeitsverhältnis x: y : z von 1 : 1 : 1 auch ohne zusätzliche Schweremasse erreicht werden kann. Diese Eigenschaften werden mit einer minimalen Anzahl von Biegebalken und piezoresistiven Widerständen erzielt. Dies ist ein wei­ terer Vorteil hinsichtlich Fertigungsaufwand und -kosten.

In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung einen Beschleunigungsaufnehmer mit mindestens acht piezoresistiven Widerständen, die auf mindestens vier Biegebalken angeord­ net sind, wobei der Abstand des ersten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Einspan­ nung des ersten Biegebalkens und der Abstand des zweiten piezoresistiven Widerstandes von der inneren Einspannung des ersten Biegebalkens und der Abstand des dritten piezoresistiven Widerstandes von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalkens und der Abstand des vierten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalkens und der Abstand des fünften piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Einspannung des dritten Biegebalkens und der Abstand des sechsten piezoresistiven Widerstandes von der inne­ ren Einspannung des dritten Biegebalkens und der Abstand des siebten piezoresistiven Wider­ standes von der inneren Einspannung des vierten Biegebalkens und der Abstand des achten piezoresistiven Widerstandes von der äußeren Einspannung des vierten Biegebalkens gleich groß sind und weiterhin eine Auswerteschaltung bestehend aus einer ersten Serienschaltung der Widerstände sieben und vier und einer zweiten Serienschaltung der Widerstände zwei und acht und einer dritten Serienschaltung der Widerstände drei und fünf und einer vierten Serien­ schaltung der Widerstände eins und sechs, wobei die zwischen den Verknüpfungspunkten der zweiten und ersten Serienschaltung abzugreifende Spannung Beschleunigungen in x-Richtung, die zwischen den Verknüpfungspunkten der dritten und ersten Serienschaltung abzugreifende Spannung Beschleunigungen in y-Richtung und die zwischen den Verknüpfungspunkten der vierten und ersten Serienschaltung abzugreifende Spannung Beschleunigungen in z-Richtung repräsentieren. Diese Anordnung und Verschaltung der piezoresistiven Widerstände hat den Vorteil, daß mit diesen acht piezoresistiven Widerständen die drei Komponenten einer beliebig gerichteten Beschleunigung nicht nur durch Widerstandsänderungen oder durch die Verknüp­ fung der Potentiale, sondern direkt, selektiv und einzeln durch Differenzspannungen gemessen oder ermittelt werden können. Weiterhin ist von Vorteil, daß ein Empfindlichkeitsverhältnis x : y : z von 1 : 1 : 1 auch ohne zusätzliche Schweremasse erreicht werden kann. Diese Eigen­ schaften werden mit einer minimalen Anzahl von Biegebalken und piezoresistiven Widerstän­ den erzielt. Dies ist ein weiterer Vorteil hinsichtlich Fertigungsaufwand und -kosten.

Für alle obengenannten Ausgestaltungen werden die Abstände der piezoresistiven Widerstände von den inneren oder äußeren Einspannungen der Biegebalken vorzugsweise klein gewählt. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht in der möglichen Empfindlichkeitsmaximierung.

In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung einen Beschleunigungsaufnehmer, wo­ bei die Schweremasse durch zusätzliche Massenstücke, die auf die Ober- oder Unterseite des Beschleunigungsaufnehmers angebracht werden, erhöht werden kann. Dies hat den Vorteil, daß die ohnehin hohe Empfindlichkeit des Beschleunigungsaufnehmers weiter gesteigert wer­ den kann. Desweiteren sind die Verhältnisse der Empfindlichkeiten in die drei Raumrichtungen mit Hilfe eines oder mehrerer zusätzlicher Massenstücke zueinander einstellbar. Insbesondere kann dadurch auch ein Empfindlichkeitsverhältnis x: y : z von 1 : 1 : 1 erreicht werden.

Die Technologie zur Herstellung eines derartigen Beschleunigungsaufnehmers ist nicht auf die Siliziumtechnologie und Mikromechanik beschränkt, sondern weitere Technologien unter Ver­ wendung von keramischen, glasartigen oder metallischen Substratwerkstoffen sind möglich. Dies ermöglicht den Einsatz von Standardtechnologien auch aus dem Bereich der Dick- und Dünnschichttechniken sowie der Metallverarbeitung.

In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung einen Beschleunigungsaufnehmer, wo­ bei die mechanische Struktur insbesondere auch durch Fertigungsverfahren der Mikromecha­ nik hergestellt werden kann. Dies hat den Vorteil, daß Beschleunigungsaufnehmer mit hoher Präzision, in großer Stückzahl und sehr kostengünstig hergestellt werden können. Weiterhin ist von Vorteil, daß die Beschleunigungsaufnehmer mit geringen Abmessungen und kleiner Masse hergestellt werden können. Von Vorteil ist auch die Möglichkeit, monolithische Beschleuni­ gungsaufnehmer mit sehr schmalen und dünnen Biegebalken mit Hilfe dieser Fertigungsver­ fahren herzustellen.

In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung einen Beschleunigungsaufnehmer, wo­ bei die Auswerteschaltung und weitere elektrische und elektronische Baugruppen monolit­ hisch oder hybrid auf dem Sensorsubstrat integriert werden kann. Dies hat den Vorteil, daß durch die Integration Volumen, Masse und Kosten eingespart werden können. Weiterhin ist von Vorteil, daß die Leistungsfähigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit solcher integrierter Be­ schleunigungssensoren sehr groß ist.

Ausführungsbeispiele

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfol­ gend beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1: Anordnung der piezoresistiven Widerstände auf den Biegebalken

Fig. 2: Einaxialer Beschleunigungsaufnehmer mit Potentialausgang

Fig. 3: Einaxialer Beschleunigungsaufnehmer mit Spannungsausgang

Fig. 4: Zweiaxialer Beschleunigungsaufnehmer mit piezoresistiven Widerständen

Fig. 5: Zweiaxialer Beschleunigungsaufnehmer mit Spannungsausgang

Fig. 6: Dreiaxialer Beschleunigungsaufnehmer mit drei piezoresistiven Widerständen

Fig. 7: Dreiaxialer Beschleunigungsaufnehmer mit Potentialausgang

Fig. 8: Dreiaxialer Beschleunigungsaufnehmer mit Spannungsausgang

Fig. 9: Vergrößerung der Schweremasse durch zusätzliche Massenstücke

In Fig. 1a ist die Aufsicht und in Fig. 1b der Querschnitt eines erfindungsgemäßen Beschleuni­ gungsaufnehmers dargestellt. Die Schweremasse 1 ist an zwei Biegebalken 11, 12 aufgehängt. Der Schwerpunkt 2 der Schweremasse 1 liegt außerhalb der durch die Biegebalken 11, 12 ge­ bildeten Ebene 3, die senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1b verläuft. Die Ebene 3 hat einen Abstand 4 von der Oberfläche des Beschleunigungsaufnehmers, die nachfolgend als xy-Ebene bezeichnet wird. Dieser Abstand 4 ist halb so groß wie die Dicke 5 der Biegebalken. Die Längsachsen der beiden Biegebalken (16, 17) fallen zu einer Hauptachse 6 zusammen. Die piezoresistiven Widerstände 21, 22 sind derart auf den Biegebalken 11, 12 angeordnet, daß die senkrechte Projektion eine ihrer Symmetrieachsen auf die xy-Ebene mit der senkrechten Pro­ jektion der Hauptachse 6 der Biegebalken 11, 12 auf die xy-Ebene zusammenfällt. Die Form der Schweremasse 1 kann beliebig sein, solange die senkrechte Projektion des Schwerpunktes 2 der Schweremasse 1 auf die xy-Ebene auf die senkrechte Projektion der Hauptachse 6 auf die xy-Ebene hält. Die Fig. 1c zeigt ein Beispiel eines rechteckförmigen piezoresistiven Wider­ standes 21 und die beiden Symmetrieachsen 18, 19. Die Fig. 1d zeigt die Verformung der Bie­ gebalken für Beschleunigungen in x-, y- und z-Richtung. Die Auslenkung ist aus Anschauungs­ gründen nicht maßstäblich. Eine beliebig gerichtete Beschleunigung ergibt eine Verformung, die sich durch Überlagerung der x-, y- und z-Komponente ergibt.

In den Fig. 2a und 2b sind zwei Ausführungsbeispiele für einen einaxialen Beschleunigungs­ aufnehmer mit Potentialausgang dargestellt. In Fig. 2a sind zwei piezoresistive Widerstände 23, 24 auf zwei Biegebalken 11, 12 derart angeordnet und verschaltet, daß Beschleunigungen in x-Richtung durch eine Potentialänderung am Verknüpfungspunkt 51 detektiert werden kön­ nen, wogegen Beschleunigungen in y- und z-Richtung keine Potentialänderung verursachen. Die Abstände 7 der piezoresistiven Widerstände 23, 24 von den Einspannungen der Biegebal­ ken 11, 12 sind gleich groß. Die dargestellte Richtungs(x, y, z)-Widerstands(23, 24)-Matrix zeigt die am Ort der piezoresistiven Widerstände wirkenden mechanischen Spannungen. Ein positives Vorzeichen bedeutet Zugspannung, ein negatives Vorzeichen bedeutet Druckspan­ nung. Für Beschleunigungen in y-Richtung ist das Integral der mechanischen Spannungen über das Widerstandsgebiet gleich Null. Für Beschleunigungen in z-Richtung verändern sich beide piezoresistiven Widerstände gleichsinnig, so daß das Potential am Verknüpfungspunkt unver­ ändert bleibt. In Fig. 2b sind zwei piezoresistive Widerstände 25, 26 auf zwei Biegebalken 11, 12 derart angeordnet und verschaltet, daß Beschleunigungen in z-Richtung durch eine Potenti­ aländerung am Verknüpfungspunkt 52 detektiert werden können, wogegen Beschleunigungen in x- und y-Richtung keine Potentialänderung verursachen.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für einen einaxialen Beschleunigungsaufnehmer mit Spannungsausgang dargestellt. Die Anordnung von vier piezoresistiven Widerständen 27-30 auf zwei Biegebalken 11, 12 ist derart, daß je nach Verschaltung dieser piezoresistiven Wider­ stände 27-30 zu einer Widerstandsmeßbrücke der Beschleunigungsaufnehmer nur für Be­ schleunigungen in x-Richtung eine Signalspannung 54 oder nur für Beschleunigungen in z- Richtung eine Signalspannung 53 bereitstellt. Die Abstände 8, 9 der piezoresistiven Wider­ stände 27-30 von den Einspannungen der Biegebalken 11, 12 können vorzugsweise paarweise gleich groß sein; insbesondere können auch alle Abstände identisch sein.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Minimalkonfiguration eines zweiaxialen Be­ schleunigungsaufnehmers dargestellt. Die beiden piezoresistiven Widerstände 31, 32 sind auf den beiden Biegebalken 11, 12 derart angeordnet, daß die Richtungs(x, z)-Widerstands (31, 32)-Matrix ein Gleichungssystem bestehend aus zwei Gleichungen mit je zwei Unbekannten repräsentiert, da Beschleunigungen in y-Richtung keine Widerstandsänderung bewirken. Die­ ses Gleichungssystem ist eindeutig auflösbar, da die zugehörige Determinante von Null ver­ schieden ist. Daher kann eine entsprechende Auswerteschaltung die x- und z-Komponente ei­ ner beliebig gerichteten Beschleunigung aus den Widerstandsänderungen der beiden piezoresistiven Widerstände 31, 32 ermitteln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ab­ stand 81 beider piezoresistiven Widerstände 31, 32 von den Einspannstellen der Biegebalken 11, 12 lediglich aus Anschauungsgründen identisch.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für einen zweiaxialen Beschleunigungsaufnehmer mit Spannungsausgang dargestellt. Die sechs piezoresistiven Widerstände 33-38 sind auf den bei­ den Biegebalken 11, 12 derart angeordnet und verschaltet, daß sowohl eine Signalspannung 55 die Beschleunigung in z-Richtung repräsentiert als auch eine Signalspannung 56 die Beschleu­ nigung in x-Richtung repräsentiert. Die Abstände 82, 83 der piezoresistiven Widerstände 33- 38 von den Einspannstellen der Biegebalken 11, 12 sind vorzugsweise für jeweils drei piezore­ sistive Widerstände identisch.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Minimalkonfiguration eines dreiaxialen Be­ schleunigungsaufnehmers dargestellt. Die drei piezoresistiven Widerstände 39-41 sind derart auf den drei Biegebalken 11, 12, 14 angeordnet, daß die Richtungs(x, y, z)-Widerstands(39, 40, 41)-Matrix ein Gleichungssystem bestehend aus drei Gleichungen mit je drei Unbekannten re­ präsentiert. Dieses Gleichungssystem ist eindeutig auflösbar, da die zugehörige Determinante von Null verschieden ist. Daher kann eine entsprechende Auswerteschaltung die x-, y- und z- Komponente einer beliebig gerichteten Beschleunigung aus den Widerstandsänderungen der drei piezoresistiven Widerstände 39-41 ermitteln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abstand 84 der drei piezoresistiven Widerstände 39-41 von den Einspannstellen der Bie­ gebalken 11, 12, 14 für alle piezoresistiven Widerstände 39-41 lediglich aus Anschauungs­ gründen identisch.

In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel für einen dreiaxialen Beschleunigungsaufnehmer mit Po­ tential- oder Spannungsausgang dargestellt. Die acht piezoresistiven Widerstände 42-49 sind derart auf den vier Biegebalken 11-14 angeordnet, daß die erfindungsgemäße paarweise Ver­ schaltung der acht Widerstände 42-49 vier Potentiale 57-60 erzeugt, die nach der erfindung­ sgemäßen Verknüpfung drei Signale bereitstellen, welche die Bestimmung einer beliebig ge­ richteten Beschleunigung nach Betrag und Richtung ermöglichen. Die Abstände 85-88 der piezoresistiven Widerstände 42-49 von den Einspannstellen der Biegebalken 11-14 sind le­ diglich aus Anschauungsgründen für alle piezoresistiven Widerstände 42-49 identisch.

In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel für einen dreiaxialen Beschleunigungsaufnehmer mit Spannungsausgang dargestellt. Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel in Fig. 7 liegt in ei­ ner abweichenden Verschaltung der piezoresistiven Widerstände 42-49 derart, daß alle drei Beschleunigungskomponenten in x-, y- und z-Richtung direkt als Spannungssignal zur Verfü­ gung stehen.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmers mit vergrößerter Schweremasse aufgrund zusätzlicher Massestücke 90-92 dargestellt. Eine Möglichkeit der Justierung zusätzlicher Massen besteht in der Verwendung einer Kugel 90, die sich in einer mikromechanisch hergestellten Ätzgrube zentrisch selbst justiert. Die Schwere­ masse 91 hat einen Innenradius, der eine Passung zum Durchmesser der Kugel 90 darstellt. Mit der zweiten Zusatzmasse 92 kann der Schwerpunkt nach oben verlagert werden.

Claims (13)

1. Piezoresistiver Beschleunigungsaufnehmer mit einer Schweremasse (1), die an minde­ stens zwei Biegebalken (11, 12) aufgehängt ist, wobei sich der Schwerpunkt der Schwe­ remasse (2) außerhalb einer durch die Biegebalken gebildeten Ebene (3) befindet, und die Längsachsen (16, 17) von jeweils zwei der Biegebalken zu einer Hauptachse (6) zu­ sammenfallen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein piezoresistiver Wider­ stand (21, 22) auf den Biegebalken (11, 12) derart angeordnet ist, daß eine der Symme­ trieachsen des Widerstandes (18, 19) mit der Längsachse des Biegebalkens (16, 17) zusammenfällt.

2. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens zwei piezoresistive Widerstände (23, 24) auf mindestens zwei Biegebalken (11, 12) angeordnet sind, wobei der Abstand (7) des ersten piezoresistiven Widerstandes (23, 25) von der äußeren Einspannung des ersten Biegebalkens (11) gleich groß ist wie der Ab­ stand (7) des zweiten piezoresistiven Widerstandes (24) von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12) oder gleich groß wie der Abstand (7) des zweiten piezore­ sistiven Widerstandes (26) von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12), und weiterhin gekennzeichnet durch eine Serienschaltung der mindestens zwei piezo­ resistiven Widerstände (23, 24 oder 25, 26), wobei am Verknüpfungspunkt der piezore­ sistiven Widerstände ein Potential (51, 52) abgegriffen werden kann, welches nur abhän­ gig ist von Beschleunigungen in einer Richtung.

3. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens vier piezoresistive Widerstände (27-30) auf mindestens zwei Biegebalken (11, 12) angeordnet sind, wobei der Abstand (8) des ersten piezoresistiven Widerstandes (27) von der äußeren Einspannung des ersten Biegebalkens (11) und der Abstand (8) des dritten piezoresistiven Widerstandes (29) von der inneren Einspannung des zweiten Biegebal­ kens (12) gleich groß sind, und der Abstand (9) des zweiten piezoresistiven Widerstan­ des (28) von der inneren Einspannung des ersten Biegebalkens (11) und der Abstand (9) des vierten piezoresistiven Widerstandes (30) von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalken (12) gleich groß sind, und weiterhin gekennzeichnet durch eine Auswer­ teschaltung bestehend aus einer Widerstandsmeßbrücke, gebildet durch die paarweise Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände eins und zwei (27, 28) sowie drei und vier (29, 30) oder vier und drei (30, 29), wobei die an den Verknüpfungspunkten der bei­ den Widerstandsserienschaltungen zu bildende Differenzspannung (53, 54) eine Emp­ findlichkeit nur für Beschleunigungen in eine Richtung aufweist.

4. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens zwei piezoresistive Widerstände (31, 32) auf mindestens einem von mindestens zwei Biegebalken (11, 12) angeordnet sind, und weiterhin gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung, welche aus den Widerstandsänderungen der piezoresistiven Wider­ stände (31, 32) zwei aufeinander senkrecht stehende Komponenten einer beliebig gerich­ teten Beschleunigung ermittelt.

5. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens sechs piezoresistive Widerstände (33-38) auf mindestens zwei Biegebalken (11, 12) angeordnet sind, wobei der Abstand (82) des ersten piezoresistiven Widerstandes (33) von der äußeren Einspannung des ersten Biegebalkens (11) und der Abstand (82) des dritten piezoresistiven Widerstandes (35) von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalken (12) und der Abstand (82) des fünften piezoresistiven Widerstandes (37) von der äußeren Einspannung des zweiten (12) Biegebalkens gleich groß sind, und der Abstand (83) des zweiten piezoresistiven Widerstandes (34) von der inneren Einspan­ nung des ersten Biegebalkens (11) und der Abstand (83) des vierten piezoresistiven Wi­ derstandes (36) von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalken (12) und der Ab­ stand (83) des sechsten piezoresistiven Widerstandes (38) von der inneren Einspannung des zweiten (12) Biegebalkens gleich groß sind, und weiterhin gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung bestehend aus paarweisen Serienschaltungen der piezoresistiven Widerstände eins und zwei (33, 34), drei und vier (35, 36) sowie fünf und sechs (37, 38), wobei an den drei Verknüpfungspunkten der drei Widerstandsserienschaltungen zwei un­ abhängige Differenzspannungen (55, 56) gebildet werden können, die jeweils die Kom­ ponenten einer beliebig gerichteten Beschleunigung in zwei senkrecht zueinanderstehen­ den Richtungen repräsentieren.

6. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens drei piezoresistive Widerstände (39-41) auf mindestens zwei von insgesamt min­ destens vier Biegebalken (11-14) angeordnet sind, und weiterhin gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung, welche aus den Widerstandsänderungen der piezoresisti­ ven Widerstände (39-41) drei aufeinander senkrecht stehende Komponenten einer be­ liebig gerichteten Beschleunigung ermittelt, wobei für den Fall, daß zwei der drei piezo­ resistiven Widerstände auf nur einem Biegebalken angeordnet sind, gelten muß, daß der Abstand des zweiten piezoresistiven Widerstandes von der inneren oder äußeren Ein­ spannung des Biegebalkens ungleich dem Abstand des ersten piezoresistiven Widerstan­ des von der äußeren Einspannung des Biegebalkens ist.

7. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens acht piezoresistive Widerstände (42-49) auf mindestens vier Biegebalken (11-14) angeordnet sind, wobei der Abstand (85) des ersten piezoresistiven Widerstandes (42) von der äußeren Einspannung des ersten Biegebalkens (11) und der Abstand (85) des dritten piezoresistiven Widerstandes (44) von der inneren Einspannung des zweiten Bie­ gebalkens (12) gleich groß sind sowie der Abstand (86) des zweiten piezoresistiven Wi­ derstandes (43) von der inneren Einspannung des ersten Biegebalkens (11) und der Ab­ stand (86) des vierten piezoresistiven Widerstandes (45) von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12) gleich groß sind sowie der Abstand (87) des fünften pie­ zoresistiven Widerstandes (46) von der äußeren Einspannung des dritten Biegebalkens (13) und der Abstand (87) des siebten piezoresistiven Widerstandes (48) von der inneren Einspannung des vierten Biegebalkens (14) gleich groß sind sowie der Abstand (88) des sechsten piezoresistiven Widerstandes (47) von der inneren Einspannung des dritten Bie­ gebalkens (13) und der Abstand (88) des achten piezoresistiven Widerstandes (49) von der äußeren Einspannung des vierten Biegebalkens (14) gleich groß sind, und weiterhin gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung bestehend aus einer ersten Serienschal­ tung der Widerstände eins und zwei (42, 43) und einer zweiten Serienschaltung der Wi­ derstände vier und drei (45, 44) und einer dritten Serienschaltung der Widerstände sechs und fünf (47, 46) und einer vierten Serienschaltung der Widerstände sieben und acht (48, 49), wobei sich die Beschleunigungskomponente in z-Richtung aus der Differenz der Summe der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der ersten (57) und zweiten (58) Se­ rienschaltung und der Summe der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der dritten (59) und vierten (60) Serienschaltung ergibt, und sich die Beschleunigungskomponente in x-Richtung aus der Differenz der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der ersten (57) und zweiten (58) Serienschaltung ergibt, und sich die Beschleunigungskomponente in y-Richtung aus der Differenz der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der dritten (59) und vierten (60) Serienschaltung ergibt.

8. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens acht piezoresistive Widerstände (42-49) auf mindestens vier Biegebalken (11-14) angeordnet sind, wobei der Abstand (95) des ersten piezoresistiven Widerstandes (42) von der äußeren Einspannung des ersten Biegebalkens (11) und der Abstand (95) des zweiten piezoresistiven Widerstandes (43) von der inneren Einspannung des ersten Bie­ gebalkens (11) und der Abstand (95) des dritten piezoresistiven Widerstandes (44) von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12) und der Abstand (95) des vier­ ten piezoresistiven Widerstandes (45) von der äußeren Einspannung des zweiten Biege­ balkens (12) und der Abstand (95) des fünften piezoresistiven Widerstandes (46) von der äußeren Einspannung des dritten Biegebalkens (13) und der Abstand (95) des sechsten piezoresistiven Widerstandes (47) von der inneren Einspannung des dritten Biegebalkens (13) und der Abstand (95) des siebten piezoresistiven Widerstandes (48) von der inneren Einspannung des vierten Biegebalkens (14) und der Abstand (95) des achten piezoresis­ tiven Widerstandes (49) von der äußeren Einspannung des vierten Biegebalkens (14) gleich groß sind, und weiterhin gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung beste­ hend aus einer ersten Serienschaltung der Widerstände sieben und vier (48, 45) und einer zweiten Serienschaltung der Widerstände zwei und acht (43, 49) und einer dritten Seri­ enschaltung der Widerstände drei und fünf (44, 46) und einer vierten Serienschaltung der Widerstände eins und sechs (42, 47), wobei die zwischen den Verknüpfungspunkten der zweiten (62) und ersten (61) Serienschaltung abzugreifende Spannung Beschleunigun­ gen in x-Richtung, die zwischen den Verknüpfungspunkten der dritten (63) und ersten (61) Serienschaltung abzugreifende Spannung Beschleunigungen in y-Richtung und die zwischen den Verknüpfungspunkten der vierten (64) und ersten (61) Serienschaltung ab­ zugreifende Spannung Beschleunigungen in z-Richtung repräsentieren.

9. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abstände der piezoresistiven Widerstände von den inneren oder äußeren Einspannungen der Biegebalken vorzugsweise klein sind.

10. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schweremasse (1) durch zusätzliche Massenstücke (90-92), die auf die Ober- oder Unterseite des Beschleunigungsaufnehmers angebracht werden, vergrößert werden kann.

11. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Substratwerkstoff für den Beschleunigungsaufnehmer aus einem Halbleiter­ werkstoff, insbesondere auch Silizium, einer Keramik, einem Glas oder einem Metall be­ steht.

12. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die me­ chanische Struktur insbesondere auch durch Fertigungsverfahren der Mikromechanik hergestellt werden kann.

13. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung und weitere elektrische und elektronische Baugruppen ins­ besondere auch monolithisch oder hybrid auf dem Sensorsubstrat integriert werden kann.